适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统的制作方法
适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统的制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，包括：指控设备(2)、发控设备(3)、转塔控制装置(8)、光电探测设备(9)，其中，光电探测设备(9)包括：安装壳体、电源、变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元，变焦白光摄像头通过螺钉与安装壳体连接，红外摄像头通过螺钉与安装壳体连接，激光测距机通过螺钉与安装壳体连接，变焦白光摄像头的供电接口通过导线与电源连接，红外摄像头的供电接口通过导线与电源连接，激光测距机的供电接口通过导线与电源连接，变焦白光摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，红外摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，激光测距机的数据接口通过导线与综合处理单元连接。
【专利说明】适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及消防领域，具体涉及一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统。
【背景技术】
[0002]高度大于10层或者大于24米的建筑被称为高层建筑，高度大于100米的建筑称之为超高层建筑，高层和超高层建筑火灾扑救一直是消防领域的难题。国内外现有的消防装备由于灭火高度有限、机动部署困难、价格昂贵，难以满足高层尤其是超高层建筑消防灭火的需求。
[0003]高层、超高层建筑火灾扑救一般采用举高消防车和云梯消防车，目前，世界最高的消防车是芬兰的博浪涛消防车，包括:载车底盘、举升装置、电气系统。该消防车举升高度为101米，分低、中、高区接力送水，送水高度最高仅160米左右。该消防车工作展开状态宽约8米，车长17.13米，行车高度4米，总质量60.2吨，在很多楼宇密集区域和街道稍窄的地方无法快速部署。另外，该消防车进口价格高达2200万元，国内多数城市消防部门无法承受，目前只有北京、上海、杭州等少数城市装备。
[0004]高层楼宇灭火系统是针对我国城市环境下高层、超高层建筑物消防灭火的严峻形势研制的一种可在城市环境普通路面快速机动部署，具备高效率、大面积扑灭或压制高层、超高层建筑火灾的特种消防灭火系统，其采用向火源目标投放灭火弹的方式。灭火弹的投放精度决定着高层楼宇灭火系统整体灭火效率。现有的灭火弹弹道解算方法并未使用精确的弹道解算方式，消防队员根据现场火情的目测判断和实战经验实现，向特定区域“盲发”，存在命中精度不高的问题。在高层、超高层建筑火灾扑救时，为了完成全天候近距离目标探测，部分消防车配置有目标(火源)探测装置，由于该装置采用定焦摄像头作为瞄准镜，该装置存在视场选择数目少、不能根据目标的大小调节放大比例、且不能完成红外和白光的图像融合的缺点。
[0005]此外，在采用灭火弹方式进行火灾扑救的现有技术中，灭火弹一般采用中心爆管的方式，喷洒灭火剂的同时会产生大量的杀伤破片，带有一定的破坏性，这类灭火弹适用于森林、油罐等远离人口密集的区域，不适用于城市环境条件下高层、超高层建筑灭火。
【发明内容】
[0006]本申请的发明人考虑到现有技术的上述情况而作出了本发明。本发明的主要目的在于，提供一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，解决现有消防装备灭火高度有限、机动部署困难、难以满足高层和超高层建筑火灾扑救需求的问题。
[0007]根据本发明的实施例，提供了一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，包括:指控设备(2)、发控设备(3)、转塔控制装置(8)、光电探测设备(9)，
[0008]其中，光电探测设备(9)包括:安装壳体、电源、变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元，[0009]变焦白光摄像头通过螺钉与安装壳体连接，红外摄像头通过螺钉与安装壳体连接，激光测距机通过螺钉与安装壳体连接，变焦白光摄像头的供电接口通过导线与电源连接，红外摄像头的供电接口通过导线与电源连接，激光测距机的供电接口通过导线与电源连接，变焦白光摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，红外摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，激光测距机的数据接口通过导线与综合处理单元连接，
[0010]其中，综合处理单元包括综合调度模块、数据存储模块、变焦控制模块、数据补偿模块，其中，在火灾扑救之前，光电探测设备(9)进行火源探测，包括以下步骤:
[0011]利用变焦白光摄像头，将光电探测设备(9)瞄准作为目标的火源，其中，利用转塔转动光电探测设备(9)，使目标出现在变焦白光摄像头的视野中并显示在显示屏上，变焦控制模块控制变焦白光摄像头的放大倍率，将被瞄准目标在显示屏上居中，并完整显示；
[0012]数据补偿模块根据变焦白光摄像头的当前放大倍率，读取在数据存储模块中存储的光轴偏差量，进行数据补偿，其中，根据当前放大倍率下的光轴偏差量，微调光电探测设备(9)的角度，使当前放大倍率下的白光光轴与基准光轴相符；
[0013]激光测距机连续多次进行激光测距，综合调度模块将多次测量的距离进行平均，并将该平均值作为目标斜距，从而完成探测装置对目标的搜索和测量，并将测距结果提供给发控设备(3)和转塔控制装置(8)，发控设备(3)和转塔控制装置(8)根据测距结果共同控制灭火弹的发射。
[0014]本发明的实施例具有以下主要优点:通过调节灭火弹发射俯仰角度和发射速度，并结合上升段弹道数据进行射击诸元解算(灭火弹发射角度计算)扑救高层和超高层建筑火灾，具有灭火高度高，精度高，成本低，反应时间短的优点，同时采用通用汽车底盘，具有机动部署快的特点，适合在城市环境高层和超高层建筑消防灭火使用，解决了现阶段不能根据目标的大小调节放大比例，且不能完成红外和白光的图像融合的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的结构示意图；
[0016]图2是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的驾驶室的结构示意图；
[0017]图3是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的设备舱的结构不意图；
[0018]图4是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的发控装置的结构示意图；
[0019]图5是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的抛射装置的结构示意图；
[0020]图6是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的灭火弹的结构示意图；
[0021]图7是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的伺服控制装置的结构示意图；
[0022]图8是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备的结构示意图；
[0023]图9是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备的综合处理单元的功能模块的示意图；
[0024]图10是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备的目标探测(位置探测)的工作流程图；
[0025]图11是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的灭火弹组装架及转塔系统的示意图；
[0026]图12是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备的工作流程图。
[0027]附图标记说明
[0028]1:载车底盘；2:指控设备；3:发控设备；4:设备舱；5:发射装置；6:抛射装置；7:灭火弹；8:转塔控制装置；9:光电探测设备；
[0029]2-1:显控台；2_2:信息处理机；2_3:通信设备；3_1:发控执行组件；3_2:灭火弹模拟器；
[0030]4-1:发电机组；4_2:供配电柜；4_3:伺服控制装置；
[0031]5-1:发射转塔；5_2:发射托架；5_3:模块组装架
[0032]7-1:尾翼减速段；7_2:挡药板；7_3:点火器；7_4:壳体；7_5:整流罩；
[0033]7-6:引信；7-7:活塞;7_8:燃烧室;7_9:灭火剂;7_10:主装药
【具体实施方式】
[0034]下面参照附图来说明本发明的【具体实施方式】。
[0035]图1是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的示意图。如图1所示，一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车，包括:载车底盘1、设备舱4、发射装置5、抛射装置6、灭火弹7。
[0036]所述消防车的控制系统包括:指控(指挥控制)设备2、发控(发射控制)设备3、转塔控制装置8、光电探测设备9。
[0037]其中，指控设备2、发控设备3置于载车底盘I的驾驶室的副驾驶位置；设备舱4置于驾驶室后并用螺栓固定于载车底盘I上；发射装置5置于载车底盘I上并用螺钉固定；抛射装置6置于发射装置5上并固定；灭火弹7置于抛射装置6中；转塔控制装置8分布在载车底盘和发射装置上，用于完成车体调平和控制发射装置动作；光电探测设备9置于发射装置5下方并用螺钉固定。
[0038]载车底盘I由通用改装底盘和副车架组成。其中副车架可以实现上装设备舱、发射装置等其它相关产品与底盘的连接等功能，是灭火车上装设备实现通用化及可移植的关键部件。
[0039]指控设备2包括显控台2-1、信息处理机2-2、通信设备2_3。其中，显控台2_1可由金属板材制成，安装在副驾驶位置上，显控台2-1上可设置有发射保险开关、显示器、操作按钮、指示灯、控制手柄、全景摄像机等，信息处理机2-2与显控台2-1、通信设备2-3连接。通信设备2-3用于操作人员与火警(119)指挥控制中心通信联系。信息处理机2-2包括综合管理控制模块、弹道解算模块和通信模块等功能模块。[0040]发控设备3由发控执行组件3-1和灭火弹模拟器3-2组成。其中，发控执行组件3-1将控制指令切换并向发射装置5输出的控制设备，它接收来自信息处理机的指令，并完成灭火弹的发射控制任务。灭火弹模拟器3-2可在灭火车训练阶段使用，用来模拟灭火弹在位信号和灭火弹发射离架信号。
[0041]设备舱4内部由发电机组4-1、供配电柜4-2、伺服控制装置4-3等组成，外部安装通信天线。发电机组可由柴油机、发电机、本体支架和蓄电池等组成，供电总功率不小
7.3kW。其中柴油机是发电机组的动力源，发电机为能量转换设备，将柴油机输出的机械能转换为电能，蓄电池为发电机组提供直流控制电源，使用时发电机组有单独油箱。供配电设备固定安装在设备舱右侧，主要完成对柴油发电机组和市电的切换操作、电气参数的显示、配电及保护功能。
[0042]发射装置5由发射转塔5-1、发射托架5-2、模块组装架5_3组成。发射转塔5_1的结构内部中心走电缆线。发射托架5-2用于支撑模块组装架，具有快速装填模块组装架5-3和发射时的定向作用。该机构不但实现模块组装架5-3的锁定和解锁，还可以与模块组装架5-3上的支脚配合完成初始射向的确定。
[0043]抛射装置6主要包括抛射筒、动力装置、平衡体等。抛射筒内部放置灭火弹、动力装置和平衡体。抛射装置采用“有限空间”平衡发射技术，具有无烟、无光、微声，无后坐力的特点。
[0044]灭火弹7包括:壳体7-4、引信7-6、点火器7_3、灭火剂7_9、主装药7_10、尾翼减速段7-1、燃烧室7-8、挡药板7-2、活塞7-7、整流罩7_5。
[0045]壳体7-4、尾翼减速段7-1和活塞7-7可为轻质金属材料，壳体7_4为圆筒状，尾翼减速段7-1置于壳体7-4底部并与壳体7-4用螺钉固定，挡药板7-2置于尾翼减速段7_1上方，燃烧室7-8置于挡药板7-2上方并与挡药板7-2螺纹固定，燃烧室7-8与壳体7_4用螺钉固定。活塞7-7置于燃烧室7-8上，活塞7-7的外径与壳体7-4的内径相匹配，活塞7_7中心有通孔，点火器7-3置于活塞7-7的通孔中并与燃烧室7-8螺纹固定，主装药7-10置于燃烧室7-8中。灭火剂7-9置于活塞7-7上部的空腔中并充满整个空腔，整流罩7-5置于壳体7-4顶部并与壳体7-4用销钉固定，整流罩7-5的表面有喷洒孔，引信7-6置于整流罩7-5上并用螺钉固定。
[0046]灭火弹7工作时，引信7-6侦测到灭火弹离火源5?10米时，将点火信号传递给点火器7-3，点火器7-3点燃燃烧室7-8中的主装药7-10，主装药7_10燃烧产生高压，高压推动活塞7-7在壳体7-4中运动，挤压灭火剂7-9使得连接整流罩7-5与壳体7_4之间的销钉被剪断，灭火剂7-9继续推动整流罩7-5向前运动，整流罩7-5到壳体7-4前端制动，这时喷洒孔已经暴露在空气中，而此时活塞7-7继续推动灭火剂7-9向前运动，灭火剂7-9从喷洒孔中喷洒出来，扑向火源，起到灭火作用。在灭火弹7的飞行喷洒过程中，尾翼减速段7-1打开降落伞，使灭火弹7减速，灭火弹7穿透玻璃幕墙，深入建筑物内实施灭火。
[0047]转塔控制装置8由转塔伺服设备和车体调平设备组成。转塔伺服设备包括控制计算机、伺服控制组件、方位电机、俯仰电动缸、方位读出组件、俯仰读出组件、方位伺服机构、回转轴承等部件，控制计算机安装有伺服控制模块，方位读出组件及方位伺服机构都与回转轴承的外齿啮合。
[0048]车体调平设备选用伺服电动缸调平，四个伺服电动缸支撑腿分别安装在车厢底盘副车架上，每个支撑腿的伺服电动缸各由一台电机驱动。调平设备可在无信息处理机控制的情况下下手动撤收。调平设备由调平执行机构，调平控制组件，水平测角组件，调平控制模块组成。其中四个功率驱动器和控制计算机集成在调平控制机柜中，调平控制机柜安装在设备控制舱当中。水平测角组件选用倾角传感器作为调平设备的水平度检测元件。水平传感器在灭火车的调平过程中反馈车体的水平度，共有两个。一个水平传感器为主水平传感器，车体横向和纵向水平度以该水平传感器读数为准，安装在底盘回转耳轴横梁上的安装面上；另一个水平传感器为辅水平传感器，安装在前调平油缸横梁上，在调平过程中，反馈车头方向的横向水平度，可避免灭火车在调平过程中出现车头倾斜现象。
[0049]图8是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备9的示意图。如图8所示，光电探测设备9包括:安装壳体、电源、变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元。图9是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备的综合处理单元的功能模块的示意图。如图9所示，综合处理单元包括综合调度模块、数据存储模块、功能自检模块、变焦控制模块、数据补偿模块、图像融合模块、图像对比模块、以及角度解算模块。
[0050]采用变焦白光摄像头能够在搜索过程中根据火源的距离及大小调节焦距，可以很准确的确定火源的位置。
[0051]变焦白光摄像头通过螺钉与安装壳体连接，红外摄像头通过螺钉与安装壳体连接，激光测距机通过螺钉与安装壳体连接，变焦白光摄像头的供电接口通过导线与电源连接，红外摄像头的供电接口通过导线与电源连接，激光测距机的供电接口通过导线与电源连接，变焦白光摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，红外摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，激光测距机的数据接口通过导线与综合处理单元连接。
[0052]下面，参照图10来说明光电探测设备9的目标探测的工作流程。
[0053]图10是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备9的目标探测(位置探测)的工作流程图。如图10所示，光电探测设备进行目标探测(火源点瞄准)主要包括以下步骤:
[0054]第一步(可选):白光光轴、红外光轴和激光光轴标校
[0055]光电探测设备9在使用之前可能需要进行白光光轴、红外光轴和激光光轴标校(例如，在长时间未使用光电探测设备9的情况下，在当前基准光轴与上述三个光轴不一致的情况下)，即，红外光轴、激光光轴和最大放大倍率下的白光光轴的标校(一致性校准)，调节变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机的安装轴线，使最大放大倍率下的白光光轴、红外光轴和激光光轴的光轴在安装壳体基准面的±20"以内，此时认为上述三个光轴满足彼此一致性的要求。在调节完毕之后，使变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机的安装支架在安装壳体上分别固定，其相互一致的光轴作为基准光轴。
[0056]第二步(可选):白光变焦光轴偏差检测
[0057]光电探测设备9在使用之前可能需要进行白光变焦光轴偏差检测(例如，在长时间未使用光电探测设备9的情况下)，即，依次从最低放大倍率到最高放大倍率进行变焦调节，检测变焦白光摄像头在不同放大倍率下的白光光轴相对于最大放大倍率下的白光光轴(基准光轴)的偏差量(例如，当前光轴在相对于基准光轴的三个方向的偏差角度)，并将所述偏差量保存在数据存储模块中。[0058]第三步:加电自检及端口配置(设备初始化)
[0059]光电探测设备9启动电源，给设备加电，变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元同时加电。功能自检模块对变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机及综合处理模块进行自检与初始化，初始化完毕后进行端口通信状态配置。
[0060]第四步:瞄准目标及变焦控制
[0061]利用变焦白光摄像头，将光电探测设备9瞄准目标(火源)。具体地，利用转塔转动光电探测设备9，使目标出现在变焦白光摄像头的视野中(显示在系统的显示屏上)，变焦控制模块控制变焦白光摄像头的放大倍率，将被瞄准目标在显示屏上居中(目标测距图像中心点对准目标点)，并且，高度调整为显示屏上的整个画面高度的3/4(也可为其它比例，只要其完整显示并满足清晰度要求即可)。
[0062]第五步:光轴补偿
[0063]数据补偿模块根据变焦白光摄像头的当前放大倍率(瞄准和变焦控制后的放大倍率)，读取数据存储模块中的光轴偏差量，进行数据补偿。即，根据当前放大倍率下的光轴偏差量，微调光电探测设备9的角度，使当前放大倍率下的白光光轴与基准光轴相符(即，目标测距图像数据补偿后的新的中心点对准目标点)。
[0064]第六步(可选):图像融合
[0065]可选地，在通过红外摄像头取得目标图像(使目标出现在红外摄像头的视野中)的情况下，综合调度模块读取变焦白光摄像头的瞄准及变焦控制后的图像、以及红外摄像头的图像，然后，图像融合模块进行图像融合处理。即，将红外摄像头的图像放大或缩小至与变焦白光摄像头的瞄准及变焦控制后的图像相对应的放大倍率(使目标大小在两个图像中一致并同时居中)、并通过图像剪裁的方式使要融合的两个图像的横纵像素数一致，并将两个图像融合(可以通过各种方法来实现，例如，同像素灰度求平均，等等)，得到融合后的图像。
[0066]第七步(可选):图像对比选择
[0067]图像对比模块对白光摄像头的图像、红外摄像头的图像(在通过红外摄像头取得目标图像的情况下，并进行相应放大或缩小)、或上述融合后的图像(在通过红外摄像头取得目标图像的情况下)的清晰度进行对比(例如，图像锐度对比，可利用通过图像滤波突出边缘的图像处理算法来实现，从图像位于各边缘的像素所反映的梯度来判断图像的总体锐度)，确定选择目标测距所需要的图像。
[0068]第八步:激光测距
[0069]激光测距机连续多次(例如5次)进行激光测距，之后，综合调度模块可将5次测量的距离去除最大值和最小值后，对处于中间值的3个数据进行平均，并将该平均值作为目标斜距。从而完成探测装置对目标的搜索和测量。激光测距机将测距结果提供给发控设备⑶和转塔控制装置(8)，发控设备(3)和转塔控制装置⑶根据测距结果共同控制灭火弹的发射。
[0070]如图9所示，角度解算模块用于解算灭火弹的弹道解算角度。数据补偿模块还用于记录弹轴偏差并进行数据补偿。
[0071]下面，参照图10来说明光电探测设备9的目标探测的灭火弹弹道解算的工作流程。[0072]图12是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备的灭火弹弹道解算的工作流程图。具体地，在完成上述激光测距之后，光电探测设备得到目标火源到灭火弹的斜线距离L，同时，转塔系统向综合调度模块回传目标相对于转塔的俯仰角Θ和方位角P (例如，转塔中心的方位角P可取为0)，光电探测设备进行灭火弹弹道解算，求解灭火弹的发射角度信息。
[0073]也就是说，解算模块根据目标斜距L和目标俯仰角Θ、目标方位角P，求解弹发射俯仰角Vf和发射方位角P/,使弹在发射仰角为Vf、发射方位角^ (在误差允许的情况
下，发射方位角可取为转塔中心的方位角，例如O)时，能够命中目标。
[0074]灭火弹弹道解算的具体步骤如下。
[0075]第一步(可选):不同架位(以图11所示的24个架位为例)的灭火弹的位置和轴线略有不同，标定出灭火弹组装架的各个架位与探测装置光轴的左右位置偏差和上下位置偏差以及航向(方位)偏差角和俯仰偏差角，并将四个偏差数据记录在数据补偿模块中。
[0076]第二步:角度解算模块根据目标的斜线距离、俯仰角求解得到目标火源相对于灭火弹的高度信息和目标距离发射点的水平距离。求解公式如下:
[0077]hO = LXsin0
[0078]d = LX cos Θ
[0079]式中:Θ为灭火弹组装架的俯仰角，L为灭火弹组装架到目标的斜线距离，hO为目标火源相对于灭火弹的高度信息，d为目标与发射点的水平距离。
[0080]第三步:角度解算模块求解得到灭火弹抛射角度。
[0081]角度解算模块依据的动力学和运动学方程如下:
【权利要求】
1.一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，包括:发控设备(3)、转塔控制装置(8)、光电探测设备(9)， 其中，光电探测设备(9)包括:安装壳体、电源、变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元， 变焦白光摄像头通过螺钉与安装壳体连接，红外摄像头通过螺钉与安装壳体连接，激光测距机通过螺钉与安装壳体连接，变焦白光摄像头的供电接口通过导线与电源连接，红外摄像头的供电接口通过导线与电源连接，激光测距机的供电接口通过导线与电源连接，变焦白光摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，红外摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，激光测距机的数据接口通过导线与综合处理单元连接， 其中，综合处理单元包括综合调度模块、数据存储模块、变焦控制模块、数据补偿模块，在火灾扑救之前，光电探测设备(9)用来如下进行火源探测: 利用变焦白光摄像头，将光电探测设备(9)瞄准作为目标的火源，其中，利用转塔转动光电探测设备(9)，使目标出现在变焦白光摄像头的视野中并显示在显示屏上，变焦控制模块控制变焦白光摄像头的放大倍率，将被瞄准目标在显示屏上居中，并完整显示； 数据补偿模块根据变焦白光摄像头的当前放大倍率，读取在数据存储模块中存储的光轴偏差量，进行数据补偿，其中，根据当前放大倍率下的光轴偏差量，微调光电探测设备(9)的角度，使当前放大倍率下的白光光轴与基准光轴相符； 激光测距机连续多次进行激光测距，综合调度模块将多次测量的距离进行平均，并将该平均值作为目标斜距，从而完成探测装置对目标的搜索和测量，并将测距结果提供给发控设备(3)和转塔控制装置(8)，发控设备(3)和转塔控制装置(8)根据测距结果共同控制灭火弹的发射。
2.根据权利要求1所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，所述光电探测设备(9)进行火源探测之前，还用来进行以下步骤: 在当前基准光轴与上述三个光轴不一致的情况下，进行变焦白光摄像头的光轴、红外摄像头的光轴和激光测距机的光轴标校，将红外摄像头的光轴、激光测距机的光轴和最大放大倍率下的变焦白光摄像头的光轴的调节一致，其相互一致的光轴作为调校后的基准光轴。
3.根据权利要求2所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，所述光电探测设备(9)进行火源探测之前，还用来进行以下步骤: 进行白光变焦光轴偏差检测，其中，依次从最低放大倍率到最高放大倍率进行变焦调节，检测变焦白光摄像头在不同放大倍率下的白光光轴相对于基准光轴的光轴偏差量，并将所述光轴偏差量保存在数据存储模块中。
4.根据权利要求3所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，所述综合处理单元还包括功能自检模块，在进行火源探测之前，所述光电探测设备(9)还用来进行以下步骤: 启动电源，给设备加电，变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元同时加电，功能自检模块对变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机及综合处理模块进行自检与初始化，初始化完毕后进行端口通信状态配置。
5.根据权利要求2所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，所述光电探测设备(9)还包括图像融合模块，所述光电探测设备(9)进行火源探测还包括以下步骤: 在通过红外摄像头取得目标图像的情况下，综合调度模块读取变焦白光摄像头的瞄准及变焦控制后的图像、以及红外摄像头的图像， 然后，图像融合模块进行图像融合处理，其中，将红外摄像头的图像放大或缩小至与变焦白光摄像头的瞄准及变焦控制后的图像相对应的放大倍率、并通过图像剪裁的方式使要融合的两个图像的横纵像素数一致，并将两个图像融合，得到融合后的图像， 其中，所述光电探测设备(9)还包括图像对比模块，所述光电探测设备(9)进行火源探测还包括以下步骤: 图像对比模块对白光摄像头的图像、红外摄像头的图像、和/或上述融合后的图像的锐度进行对比，确定锐度最高的图像，作为目标测距所需要的图像。
6.根据权利要求1所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，所述消防车包括载车底盘(1)、设备舱(4)、发射装置(5)、抛射装置(6)、灭火弹(7)，其中，载车底盘(1)由通用改装底盘和副车架组成， 所述消防车还包括指控设备(2)，其包括显控台(2-1)、信息处理机(2-2)、通信设备(2-3)， 其中，显控台(2-1)由金属板材制成，安装在副驾驶位置上，显控台(2-1)上设置有发射保险开关、显示器、操作按钮、指示灯、控制手柄、全景摄像机，信息处理机(2-2)与显控台(2-1)、通信设备(2-3)连接， 通信设备(2-3)用于操作人员与火警指挥控制中心通信联系， 信息处理机(2-2)包括综合管理控制模块、弹道解算模块和通信模块。
7.根据权利要求6所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，发控设备(3)由发控执行组件(3-1)和灭火弹模拟器(3-2)组成，其中，发控执行组件(3-1)将控制指令发送到发射装置(5)，发射装置(5)接收来自信息处理机的指令，并完成灭火弹的发射控制任务，灭火弹模拟器(3-2)用于灭火车训练阶段使用，用来模拟灭火弹在位信号和灭火弹发射离架信号， 其中，设备舱(4)内部包括发电机组(4-1)、供配电柜(4-2)、伺服控制装置(4-3)，设备舱(4)外部安装有通信天线， 其中，发射装置(5)由发射转塔(5-1)、发射托架(5-2)、模块组装架(5-3)组成，发射转塔(5-1)的结构内部中心走电缆线， 发射托架(5-2)用于支撑模块组装架，具有快速装填模块组装架(5-3)和发射时的定向作用，发射托架(5-2)不但实现模块组装架(5-3)的锁定和解锁，还与模块组装架(5-3)上的支脚配合完成初始射向的确定， 其中，抛射装置(6)包括抛射筒、动力装置、平衡体，抛射筒内部放置灭火弹、动力装置和平衡体。
8.根据权利要求1所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，转塔控制装置(8)由转塔伺服设备和车体调平设备组成，转塔伺服设备包括控制计算机、伺服控制组件、方位电机、俯仰电动缸、方位读出组件、俯仰读出组件、方位伺服机构、回转轴承，控制计算机安装有伺服控制模块，方位读出组件及方位伺服机构都与回转轴承的外齿啮合， 其中，车体调平设备包括调平执行机构、调平控制组件、水平测角组件，并安装有调平控制模块，其中，四个功率驱动器和控制计算机集成在调平控制机柜中，调平控制机柜安装在设备控制舱当中，两个水平传感器在灭火车的调平过程中反馈车体的水平度，一个水平传感器为主水平传感器，车体横向和纵向水平度以该水平传感器读数为准，安装在底盘回转耳轴横梁上的安装面上，另一个水平传感器为辅水平传感器，安装在前调平油缸横梁上，在调平过程中，反馈车头方向的横向水平度。
9.根据权利要求2所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，所述综合处理单元还包括角度解算模块，其中，所述角度解算模块用于解算灭火弹的弹道解算角度， 其中，在完成所述激光测距之后，光电探测设备(9)得到目标火源到灭火弹的斜线距离L，同时，转塔系统向综合调度模块回传目标相对于转塔的俯仰角Θ，光电探测设备(9)进行灭火弹弹道解算，求解灭火弹的发射角度信息， 其中，光电探测设备(9)解算灭火弹的弹道解算角度包括求解灭火弹的发射角度信息包括以下步骤: 角度解算模块依据以下动力学和运动学微分方程如下: 动力学微分方程
10.根据权利要求9所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，角度解算模块还用来进行以下步骤: 根据目标的斜线距离L、目标相对于转塔的俯仰角Θ求解得到作为目标的火源相对于灭火弹的高度hO和目标距离发射点的水平距离d，所依照的公式如下:hO = LXsin Θd = LXcos Θ 在计算完某一弹道俯仰角φ下的全弹道参数之后，计算在某一弹道俯仰角φ下达到水平距离d的射高H，其中初始值Φ0 = Θ，如下:
Hk-hO| ^ 0.01 (12)
φ,+1 = φ,+0.5(Hk-hO) θ (13) 利用公式(12)判断H与目标高度hO的大小关系，如满足(12)式则停止迭代，当前俯仰角Φ--即为最终的灭火弹发射俯仰角；如不满足(12)式，则用公式(13)更新发射俯仰角，用所述动力学和运动学微分方程重新计算全弹道参数和射高Hk+1，其中k为当前迭代步数，直到射高与目标高度hO满足(12)式为止，此时的俯仰角Φ--即为最终的灭火弹发射俯仰角。
【文档编号】A62C27/00GK103958007SQ201380004050
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2013年7月16日 优先权日:2013年7月16日
【发明者】葛晓飞, 李佳辉, 王涛, 丁旭昶, 邱旭阳, 李正新, 田超 申请人:北京机械设备研究所
【专利摘要】本申请公开了一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，包括：指控设备(2)、发控设备(3)、转塔控制装置(8)、光电探测设备(9)，其中，光电探测设备(9)包括：安装壳体、电源、变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元，变焦白光摄像头通过螺钉与安装壳体连接，红外摄像头通过螺钉与安装壳体连接，激光测距机通过螺钉与安装壳体连接，变焦白光摄像头的供电接口通过导线与电源连接，红外摄像头的供电接口通过导线与电源连接，激光测距机的供电接口通过导线与电源连接，变焦白光摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，红外摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，激光测距机的数据接口通过导线与综合处理单元连接。
【专利说明】适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及消防领域，具体涉及一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统。
【背景技术】
[0002]高度大于10层或者大于24米的建筑被称为高层建筑，高度大于100米的建筑称之为超高层建筑，高层和超高层建筑火灾扑救一直是消防领域的难题。国内外现有的消防装备由于灭火高度有限、机动部署困难、价格昂贵，难以满足高层尤其是超高层建筑消防灭火的需求。
[0003]高层、超高层建筑火灾扑救一般采用举高消防车和云梯消防车，目前，世界最高的消防车是芬兰的博浪涛消防车，包括:载车底盘、举升装置、电气系统。该消防车举升高度为101米，分低、中、高区接力送水，送水高度最高仅160米左右。该消防车工作展开状态宽约8米，车长17.13米，行车高度4米，总质量60.2吨，在很多楼宇密集区域和街道稍窄的地方无法快速部署。另外，该消防车进口价格高达2200万元，国内多数城市消防部门无法承受，目前只有北京、上海、杭州等少数城市装备。
[0004]高层楼宇灭火系统是针对我国城市环境下高层、超高层建筑物消防灭火的严峻形势研制的一种可在城市环境普通路面快速机动部署，具备高效率、大面积扑灭或压制高层、超高层建筑火灾的特种消防灭火系统，其采用向火源目标投放灭火弹的方式。灭火弹的投放精度决定着高层楼宇灭火系统整体灭火效率。现有的灭火弹弹道解算方法并未使用精确的弹道解算方式，消防队员根据现场火情的目测判断和实战经验实现，向特定区域“盲发”，存在命中精度不高的问题。在高层、超高层建筑火灾扑救时，为了完成全天候近距离目标探测，部分消防车配置有目标(火源)探测装置，由于该装置采用定焦摄像头作为瞄准镜，该装置存在视场选择数目少、不能根据目标的大小调节放大比例、且不能完成红外和白光的图像融合的缺点。
[0005]此外，在采用灭火弹方式进行火灾扑救的现有技术中，灭火弹一般采用中心爆管的方式，喷洒灭火剂的同时会产生大量的杀伤破片，带有一定的破坏性，这类灭火弹适用于森林、油罐等远离人口密集的区域，不适用于城市环境条件下高层、超高层建筑灭火。
【发明内容】
[0006]本申请的发明人考虑到现有技术的上述情况而作出了本发明。本发明的主要目的在于，提供一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，解决现有消防装备灭火高度有限、机动部署困难、难以满足高层和超高层建筑火灾扑救需求的问题。
[0007]根据本发明的实施例，提供了一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，包括:指控设备(2)、发控设备(3)、转塔控制装置(8)、光电探测设备(9)，
[0008]其中，光电探测设备(9)包括:安装壳体、电源、变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元，[0009]变焦白光摄像头通过螺钉与安装壳体连接，红外摄像头通过螺钉与安装壳体连接，激光测距机通过螺钉与安装壳体连接，变焦白光摄像头的供电接口通过导线与电源连接，红外摄像头的供电接口通过导线与电源连接，激光测距机的供电接口通过导线与电源连接，变焦白光摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，红外摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，激光测距机的数据接口通过导线与综合处理单元连接，
[0010]其中，综合处理单元包括综合调度模块、数据存储模块、变焦控制模块、数据补偿模块，其中，在火灾扑救之前，光电探测设备(9)进行火源探测，包括以下步骤:
[0011]利用变焦白光摄像头，将光电探测设备(9)瞄准作为目标的火源，其中，利用转塔转动光电探测设备(9)，使目标出现在变焦白光摄像头的视野中并显示在显示屏上，变焦控制模块控制变焦白光摄像头的放大倍率，将被瞄准目标在显示屏上居中，并完整显示；
[0012]数据补偿模块根据变焦白光摄像头的当前放大倍率，读取在数据存储模块中存储的光轴偏差量，进行数据补偿，其中，根据当前放大倍率下的光轴偏差量，微调光电探测设备(9)的角度，使当前放大倍率下的白光光轴与基准光轴相符；
[0013]激光测距机连续多次进行激光测距，综合调度模块将多次测量的距离进行平均，并将该平均值作为目标斜距，从而完成探测装置对目标的搜索和测量，并将测距结果提供给发控设备(3)和转塔控制装置(8)，发控设备(3)和转塔控制装置(8)根据测距结果共同控制灭火弹的发射。
[0014]本发明的实施例具有以下主要优点:通过调节灭火弹发射俯仰角度和发射速度，并结合上升段弹道数据进行射击诸元解算(灭火弹发射角度计算)扑救高层和超高层建筑火灾，具有灭火高度高，精度高，成本低，反应时间短的优点，同时采用通用汽车底盘，具有机动部署快的特点，适合在城市环境高层和超高层建筑消防灭火使用，解决了现阶段不能根据目标的大小调节放大比例，且不能完成红外和白光的图像融合的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的结构示意图；
[0016]图2是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的驾驶室的结构示意图；
[0017]图3是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的设备舱的结构不意图；
[0018]图4是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的发控装置的结构示意图；
[0019]图5是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的抛射装置的结构示意图；
[0020]图6是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的灭火弹的结构示意图；
[0021]图7是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的伺服控制装置的结构示意图；
[0022]图8是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备的结构示意图；
[0023]图9是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备的综合处理单元的功能模块的示意图；
[0024]图10是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备的目标探测(位置探测)的工作流程图；
[0025]图11是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的灭火弹组装架及转塔系统的示意图；
[0026]图12是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备的工作流程图。
[0027]附图标记说明
[0028]1:载车底盘；2:指控设备；3:发控设备；4:设备舱；5:发射装置；6:抛射装置；7:灭火弹；8:转塔控制装置；9:光电探测设备；
[0029]2-1:显控台；2_2:信息处理机；2_3:通信设备；3_1:发控执行组件；3_2:灭火弹模拟器；
[0030]4-1:发电机组；4_2:供配电柜；4_3:伺服控制装置；
[0031]5-1:发射转塔；5_2:发射托架；5_3:模块组装架
[0032]7-1:尾翼减速段；7_2:挡药板；7_3:点火器；7_4:壳体；7_5:整流罩；
[0033]7-6:引信；7-7:活塞;7_8:燃烧室;7_9:灭火剂;7_10:主装药
【具体实施方式】
[0034]下面参照附图来说明本发明的【具体实施方式】。
[0035]图1是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的示意图。如图1所示，一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车，包括:载车底盘1、设备舱4、发射装置5、抛射装置6、灭火弹7。
[0036]所述消防车的控制系统包括:指控(指挥控制)设备2、发控(发射控制)设备3、转塔控制装置8、光电探测设备9。
[0037]其中，指控设备2、发控设备3置于载车底盘I的驾驶室的副驾驶位置；设备舱4置于驾驶室后并用螺栓固定于载车底盘I上；发射装置5置于载车底盘I上并用螺钉固定；抛射装置6置于发射装置5上并固定；灭火弹7置于抛射装置6中；转塔控制装置8分布在载车底盘和发射装置上，用于完成车体调平和控制发射装置动作；光电探测设备9置于发射装置5下方并用螺钉固定。
[0038]载车底盘I由通用改装底盘和副车架组成。其中副车架可以实现上装设备舱、发射装置等其它相关产品与底盘的连接等功能，是灭火车上装设备实现通用化及可移植的关键部件。
[0039]指控设备2包括显控台2-1、信息处理机2-2、通信设备2_3。其中，显控台2_1可由金属板材制成，安装在副驾驶位置上，显控台2-1上可设置有发射保险开关、显示器、操作按钮、指示灯、控制手柄、全景摄像机等，信息处理机2-2与显控台2-1、通信设备2-3连接。通信设备2-3用于操作人员与火警(119)指挥控制中心通信联系。信息处理机2-2包括综合管理控制模块、弹道解算模块和通信模块等功能模块。[0040]发控设备3由发控执行组件3-1和灭火弹模拟器3-2组成。其中，发控执行组件3-1将控制指令切换并向发射装置5输出的控制设备，它接收来自信息处理机的指令，并完成灭火弹的发射控制任务。灭火弹模拟器3-2可在灭火车训练阶段使用，用来模拟灭火弹在位信号和灭火弹发射离架信号。
[0041]设备舱4内部由发电机组4-1、供配电柜4-2、伺服控制装置4-3等组成，外部安装通信天线。发电机组可由柴油机、发电机、本体支架和蓄电池等组成，供电总功率不小
7.3kW。其中柴油机是发电机组的动力源，发电机为能量转换设备，将柴油机输出的机械能转换为电能，蓄电池为发电机组提供直流控制电源，使用时发电机组有单独油箱。供配电设备固定安装在设备舱右侧，主要完成对柴油发电机组和市电的切换操作、电气参数的显示、配电及保护功能。
[0042]发射装置5由发射转塔5-1、发射托架5-2、模块组装架5_3组成。发射转塔5_1的结构内部中心走电缆线。发射托架5-2用于支撑模块组装架，具有快速装填模块组装架5-3和发射时的定向作用。该机构不但实现模块组装架5-3的锁定和解锁，还可以与模块组装架5-3上的支脚配合完成初始射向的确定。
[0043]抛射装置6主要包括抛射筒、动力装置、平衡体等。抛射筒内部放置灭火弹、动力装置和平衡体。抛射装置采用“有限空间”平衡发射技术，具有无烟、无光、微声，无后坐力的特点。
[0044]灭火弹7包括:壳体7-4、引信7-6、点火器7_3、灭火剂7_9、主装药7_10、尾翼减速段7-1、燃烧室7-8、挡药板7-2、活塞7-7、整流罩7_5。
[0045]壳体7-4、尾翼减速段7-1和活塞7-7可为轻质金属材料，壳体7_4为圆筒状，尾翼减速段7-1置于壳体7-4底部并与壳体7-4用螺钉固定，挡药板7-2置于尾翼减速段7_1上方，燃烧室7-8置于挡药板7-2上方并与挡药板7-2螺纹固定，燃烧室7-8与壳体7_4用螺钉固定。活塞7-7置于燃烧室7-8上，活塞7-7的外径与壳体7-4的内径相匹配，活塞7_7中心有通孔，点火器7-3置于活塞7-7的通孔中并与燃烧室7-8螺纹固定，主装药7-10置于燃烧室7-8中。灭火剂7-9置于活塞7-7上部的空腔中并充满整个空腔，整流罩7-5置于壳体7-4顶部并与壳体7-4用销钉固定，整流罩7-5的表面有喷洒孔，引信7-6置于整流罩7-5上并用螺钉固定。
[0046]灭火弹7工作时，引信7-6侦测到灭火弹离火源5?10米时，将点火信号传递给点火器7-3，点火器7-3点燃燃烧室7-8中的主装药7-10，主装药7_10燃烧产生高压，高压推动活塞7-7在壳体7-4中运动，挤压灭火剂7-9使得连接整流罩7-5与壳体7_4之间的销钉被剪断，灭火剂7-9继续推动整流罩7-5向前运动，整流罩7-5到壳体7-4前端制动，这时喷洒孔已经暴露在空气中，而此时活塞7-7继续推动灭火剂7-9向前运动，灭火剂7-9从喷洒孔中喷洒出来，扑向火源，起到灭火作用。在灭火弹7的飞行喷洒过程中，尾翼减速段7-1打开降落伞，使灭火弹7减速，灭火弹7穿透玻璃幕墙，深入建筑物内实施灭火。
[0047]转塔控制装置8由转塔伺服设备和车体调平设备组成。转塔伺服设备包括控制计算机、伺服控制组件、方位电机、俯仰电动缸、方位读出组件、俯仰读出组件、方位伺服机构、回转轴承等部件，控制计算机安装有伺服控制模块，方位读出组件及方位伺服机构都与回转轴承的外齿啮合。
[0048]车体调平设备选用伺服电动缸调平，四个伺服电动缸支撑腿分别安装在车厢底盘副车架上，每个支撑腿的伺服电动缸各由一台电机驱动。调平设备可在无信息处理机控制的情况下下手动撤收。调平设备由调平执行机构，调平控制组件，水平测角组件，调平控制模块组成。其中四个功率驱动器和控制计算机集成在调平控制机柜中，调平控制机柜安装在设备控制舱当中。水平测角组件选用倾角传感器作为调平设备的水平度检测元件。水平传感器在灭火车的调平过程中反馈车体的水平度，共有两个。一个水平传感器为主水平传感器，车体横向和纵向水平度以该水平传感器读数为准，安装在底盘回转耳轴横梁上的安装面上；另一个水平传感器为辅水平传感器，安装在前调平油缸横梁上，在调平过程中，反馈车头方向的横向水平度，可避免灭火车在调平过程中出现车头倾斜现象。
[0049]图8是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备9的示意图。如图8所示，光电探测设备9包括:安装壳体、电源、变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元。图9是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备的综合处理单元的功能模块的示意图。如图9所示，综合处理单元包括综合调度模块、数据存储模块、功能自检模块、变焦控制模块、数据补偿模块、图像融合模块、图像对比模块、以及角度解算模块。
[0050]采用变焦白光摄像头能够在搜索过程中根据火源的距离及大小调节焦距，可以很准确的确定火源的位置。
[0051]变焦白光摄像头通过螺钉与安装壳体连接，红外摄像头通过螺钉与安装壳体连接，激光测距机通过螺钉与安装壳体连接，变焦白光摄像头的供电接口通过导线与电源连接，红外摄像头的供电接口通过导线与电源连接，激光测距机的供电接口通过导线与电源连接，变焦白光摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，红外摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，激光测距机的数据接口通过导线与综合处理单元连接。
[0052]下面，参照图10来说明光电探测设备9的目标探测的工作流程。
[0053]图10是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备9的目标探测(位置探测)的工作流程图。如图10所示，光电探测设备进行目标探测(火源点瞄准)主要包括以下步骤:
[0054]第一步(可选):白光光轴、红外光轴和激光光轴标校
[0055]光电探测设备9在使用之前可能需要进行白光光轴、红外光轴和激光光轴标校(例如，在长时间未使用光电探测设备9的情况下，在当前基准光轴与上述三个光轴不一致的情况下)，即，红外光轴、激光光轴和最大放大倍率下的白光光轴的标校(一致性校准)，调节变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机的安装轴线，使最大放大倍率下的白光光轴、红外光轴和激光光轴的光轴在安装壳体基准面的±20"以内，此时认为上述三个光轴满足彼此一致性的要求。在调节完毕之后，使变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机的安装支架在安装壳体上分别固定，其相互一致的光轴作为基准光轴。
[0056]第二步(可选):白光变焦光轴偏差检测
[0057]光电探测设备9在使用之前可能需要进行白光变焦光轴偏差检测(例如，在长时间未使用光电探测设备9的情况下)，即，依次从最低放大倍率到最高放大倍率进行变焦调节，检测变焦白光摄像头在不同放大倍率下的白光光轴相对于最大放大倍率下的白光光轴(基准光轴)的偏差量(例如，当前光轴在相对于基准光轴的三个方向的偏差角度)，并将所述偏差量保存在数据存储模块中。[0058]第三步:加电自检及端口配置(设备初始化)
[0059]光电探测设备9启动电源，给设备加电，变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元同时加电。功能自检模块对变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机及综合处理模块进行自检与初始化，初始化完毕后进行端口通信状态配置。
[0060]第四步:瞄准目标及变焦控制
[0061]利用变焦白光摄像头，将光电探测设备9瞄准目标(火源)。具体地，利用转塔转动光电探测设备9，使目标出现在变焦白光摄像头的视野中(显示在系统的显示屏上)，变焦控制模块控制变焦白光摄像头的放大倍率，将被瞄准目标在显示屏上居中(目标测距图像中心点对准目标点)，并且，高度调整为显示屏上的整个画面高度的3/4(也可为其它比例，只要其完整显示并满足清晰度要求即可)。
[0062]第五步:光轴补偿
[0063]数据补偿模块根据变焦白光摄像头的当前放大倍率(瞄准和变焦控制后的放大倍率)，读取数据存储模块中的光轴偏差量，进行数据补偿。即，根据当前放大倍率下的光轴偏差量，微调光电探测设备9的角度，使当前放大倍率下的白光光轴与基准光轴相符(即，目标测距图像数据补偿后的新的中心点对准目标点)。
[0064]第六步(可选):图像融合
[0065]可选地，在通过红外摄像头取得目标图像(使目标出现在红外摄像头的视野中)的情况下，综合调度模块读取变焦白光摄像头的瞄准及变焦控制后的图像、以及红外摄像头的图像，然后，图像融合模块进行图像融合处理。即，将红外摄像头的图像放大或缩小至与变焦白光摄像头的瞄准及变焦控制后的图像相对应的放大倍率(使目标大小在两个图像中一致并同时居中)、并通过图像剪裁的方式使要融合的两个图像的横纵像素数一致，并将两个图像融合(可以通过各种方法来实现，例如，同像素灰度求平均，等等)，得到融合后的图像。
[0066]第七步(可选):图像对比选择
[0067]图像对比模块对白光摄像头的图像、红外摄像头的图像(在通过红外摄像头取得目标图像的情况下，并进行相应放大或缩小)、或上述融合后的图像(在通过红外摄像头取得目标图像的情况下)的清晰度进行对比(例如，图像锐度对比，可利用通过图像滤波突出边缘的图像处理算法来实现，从图像位于各边缘的像素所反映的梯度来判断图像的总体锐度)，确定选择目标测距所需要的图像。
[0068]第八步:激光测距
[0069]激光测距机连续多次(例如5次)进行激光测距，之后，综合调度模块可将5次测量的距离去除最大值和最小值后，对处于中间值的3个数据进行平均，并将该平均值作为目标斜距。从而完成探测装置对目标的搜索和测量。激光测距机将测距结果提供给发控设备⑶和转塔控制装置(8)，发控设备(3)和转塔控制装置⑶根据测距结果共同控制灭火弹的发射。
[0070]如图9所示，角度解算模块用于解算灭火弹的弹道解算角度。数据补偿模块还用于记录弹轴偏差并进行数据补偿。
[0071]下面，参照图10来说明光电探测设备9的目标探测的灭火弹弹道解算的工作流程。[0072]图12是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备的灭火弹弹道解算的工作流程图。具体地，在完成上述激光测距之后，光电探测设备得到目标火源到灭火弹的斜线距离L，同时，转塔系统向综合调度模块回传目标相对于转塔的俯仰角Θ和方位角P (例如，转塔中心的方位角P可取为0)，光电探测设备进行灭火弹弹道解算，求解灭火弹的发射角度信息。
[0073]也就是说，解算模块根据目标斜距L和目标俯仰角Θ、目标方位角P，求解弹发射俯仰角Vf和发射方位角P/,使弹在发射仰角为Vf、发射方位角^ (在误差允许的情况
下，发射方位角可取为转塔中心的方位角，例如O)时，能够命中目标。
[0074]灭火弹弹道解算的具体步骤如下。
[0075]第一步(可选):不同架位(以图11所示的24个架位为例)的灭火弹的位置和轴线略有不同，标定出灭火弹组装架的各个架位与探测装置光轴的左右位置偏差和上下位置偏差以及航向(方位)偏差角和俯仰偏差角，并将四个偏差数据记录在数据补偿模块中。
[0076]第二步:角度解算模块根据目标的斜线距离、俯仰角求解得到目标火源相对于灭火弹的高度信息和目标距离发射点的水平距离。求解公式如下:
[0077]hO = LXsin0
[0078]d = LX cos Θ
[0079]式中:Θ为灭火弹组装架的俯仰角，L为灭火弹组装架到目标的斜线距离，hO为目标火源相对于灭火弹的高度信息，d为目标与发射点的水平距离。
[0080]第三步:角度解算模块求解得到灭火弹抛射角度。
[0081]角度解算模块依据的动力学和运动学方程如下:
【权利要求】
1.一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，包括:发控设备(3)、转塔控制装置(8)、光电探测设备(9)， 其中，光电探测设备(9)包括:安装壳体、电源、变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元， 变焦白光摄像头通过螺钉与安装壳体连接，红外摄像头通过螺钉与安装壳体连接，激光测距机通过螺钉与安装壳体连接，变焦白光摄像头的供电接口通过导线与电源连接，红外摄像头的供电接口通过导线与电源连接，激光测距机的供电接口通过导线与电源连接，变焦白光摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，红外摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，激光测距机的数据接口通过导线与综合处理单元连接， 其中，综合处理单元包括综合调度模块、数据存储模块、变焦控制模块、数据补偿模块，在火灾扑救之前，光电探测设备(9)用来如下进行火源探测: 利用变焦白光摄像头，将光电探测设备(9)瞄准作为目标的火源，其中，利用转塔转动光电探测设备(9)，使目标出现在变焦白光摄像头的视野中并显示在显示屏上，变焦控制模块控制变焦白光摄像头的放大倍率，将被瞄准目标在显示屏上居中，并完整显示； 数据补偿模块根据变焦白光摄像头的当前放大倍率，读取在数据存储模块中存储的光轴偏差量，进行数据补偿，其中，根据当前放大倍率下的光轴偏差量，微调光电探测设备(9)的角度，使当前放大倍率下的白光光轴与基准光轴相符； 激光测距机连续多次进行激光测距，综合调度模块将多次测量的距离进行平均，并将该平均值作为目标斜距，从而完成探测装置对目标的搜索和测量，并将测距结果提供给发控设备(3)和转塔控制装置(8)，发控设备(3)和转塔控制装置(8)根据测距结果共同控制灭火弹的发射。
2.根据权利要求1所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，所述光电探测设备(9)进行火源探测之前，还用来进行以下步骤: 在当前基准光轴与上述三个光轴不一致的情况下，进行变焦白光摄像头的光轴、红外摄像头的光轴和激光测距机的光轴标校，将红外摄像头的光轴、激光测距机的光轴和最大放大倍率下的变焦白光摄像头的光轴的调节一致，其相互一致的光轴作为调校后的基准光轴。
3.根据权利要求2所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，所述光电探测设备(9)进行火源探测之前，还用来进行以下步骤: 进行白光变焦光轴偏差检测，其中，依次从最低放大倍率到最高放大倍率进行变焦调节，检测变焦白光摄像头在不同放大倍率下的白光光轴相对于基准光轴的光轴偏差量，并将所述光轴偏差量保存在数据存储模块中。
4.根据权利要求3所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，所述综合处理单元还包括功能自检模块，在进行火源探测之前，所述光电探测设备(9)还用来进行以下步骤: 启动电源，给设备加电，变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元同时加电，功能自检模块对变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机及综合处理模块进行自检与初始化，初始化完毕后进行端口通信状态配置。
5.根据权利要求2所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，所述光电探测设备(9)还包括图像融合模块，所述光电探测设备(9)进行火源探测还包括以下步骤: 在通过红外摄像头取得目标图像的情况下，综合调度模块读取变焦白光摄像头的瞄准及变焦控制后的图像、以及红外摄像头的图像， 然后，图像融合模块进行图像融合处理，其中，将红外摄像头的图像放大或缩小至与变焦白光摄像头的瞄准及变焦控制后的图像相对应的放大倍率、并通过图像剪裁的方式使要融合的两个图像的横纵像素数一致，并将两个图像融合，得到融合后的图像， 其中，所述光电探测设备(9)还包括图像对比模块，所述光电探测设备(9)进行火源探测还包括以下步骤: 图像对比模块对白光摄像头的图像、红外摄像头的图像、和/或上述融合后的图像的锐度进行对比，确定锐度最高的图像，作为目标测距所需要的图像。
6.根据权利要求1所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，所述消防车包括载车底盘(1)、设备舱(4)、发射装置(5)、抛射装置(6)、灭火弹(7)，其中，载车底盘(1)由通用改装底盘和副车架组成， 所述消防车还包括指控设备(2)，其包括显控台(2-1)、信息处理机(2-2)、通信设备(2-3)， 其中，显控台(2-1)由金属板材制成，安装在副驾驶位置上，显控台(2-1)上设置有发射保险开关、显示器、操作按钮、指示灯、控制手柄、全景摄像机，信息处理机(2-2)与显控台(2-1)、通信设备(2-3)连接， 通信设备(2-3)用于操作人员与火警指挥控制中心通信联系， 信息处理机(2-2)包括综合管理控制模块、弹道解算模块和通信模块。
7.根据权利要求6所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，发控设备(3)由发控执行组件(3-1)和灭火弹模拟器(3-2)组成，其中，发控执行组件(3-1)将控制指令发送到发射装置(5)，发射装置(5)接收来自信息处理机的指令，并完成灭火弹的发射控制任务，灭火弹模拟器(3-2)用于灭火车训练阶段使用，用来模拟灭火弹在位信号和灭火弹发射离架信号， 其中，设备舱(4)内部包括发电机组(4-1)、供配电柜(4-2)、伺服控制装置(4-3)，设备舱(4)外部安装有通信天线， 其中，发射装置(5)由发射转塔(5-1)、发射托架(5-2)、模块组装架(5-3)组成，发射转塔(5-1)的结构内部中心走电缆线， 发射托架(5-2)用于支撑模块组装架，具有快速装填模块组装架(5-3)和发射时的定向作用，发射托架(5-2)不但实现模块组装架(5-3)的锁定和解锁，还与模块组装架(5-3)上的支脚配合完成初始射向的确定， 其中，抛射装置(6)包括抛射筒、动力装置、平衡体，抛射筒内部放置灭火弹、动力装置和平衡体。
8.根据权利要求1所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，转塔控制装置(8)由转塔伺服设备和车体调平设备组成，转塔伺服设备包括控制计算机、伺服控制组件、方位电机、俯仰电动缸、方位读出组件、俯仰读出组件、方位伺服机构、回转轴承，控制计算机安装有伺服控制模块，方位读出组件及方位伺服机构都与回转轴承的外齿啮合， 其中，车体调平设备包括调平执行机构、调平控制组件、水平测角组件，并安装有调平控制模块，其中，四个功率驱动器和控制计算机集成在调平控制机柜中，调平控制机柜安装在设备控制舱当中，两个水平传感器在灭火车的调平过程中反馈车体的水平度，一个水平传感器为主水平传感器，车体横向和纵向水平度以该水平传感器读数为准，安装在底盘回转耳轴横梁上的安装面上，另一个水平传感器为辅水平传感器，安装在前调平油缸横梁上，在调平过程中，反馈车头方向的横向水平度。
9.根据权利要求2所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，所述综合处理单元还包括角度解算模块，其中，所述角度解算模块用于解算灭火弹的弹道解算角度， 其中，在完成所述激光测距之后，光电探测设备(9)得到目标火源到灭火弹的斜线距离L，同时，转塔系统向综合调度模块回传目标相对于转塔的俯仰角Θ，光电探测设备(9)进行灭火弹弹道解算，求解灭火弹的发射角度信息， 其中，光电探测设备(9)解算灭火弹的弹道解算角度包括求解灭火弹的发射角度信息包括以下步骤: 角度解算模块依据以下动力学和运动学微分方程如下: 动力学微分方程
10.根据权利要求9所述的适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，其中，角度解算模块还用来进行以下步骤: 根据目标的斜线距离L、目标相对于转塔的俯仰角Θ求解得到作为目标的火源相对于灭火弹的高度hO和目标距离发射点的水平距离d，所依照的公式如下:hO = LXsin Θd = LXcos Θ 在计算完某一弹道俯仰角φ下的全弹道参数之后，计算在某一弹道俯仰角φ下达到水平距离d的射高H，其中初始值Φ0 = Θ，如下:
Hk-hO| ^ 0.01 (12)
φ,+1 = φ,+0.5(Hk-hO) θ (13) 利用公式(12)判断H与目标高度hO的大小关系，如满足(12)式则停止迭代，当前俯仰角Φ--即为最终的灭火弹发射俯仰角；如不满足(12)式，则用公式(13)更新发射俯仰角，用所述动力学和运动学微分方程重新计算全弹道参数和射高Hk+1，其中k为当前迭代步数，直到射高与目标高度hO满足(12)式为止，此时的俯仰角Φ--即为最终的灭火弹发射俯仰角。
【文档编号】A62C27/00GK103958007SQ201380004050
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2013年7月16日 优先权日:2013年7月16日
【发明者】葛晓飞, 李佳辉, 王涛, 丁旭昶, 邱旭阳, 李正新, 田超 申请人:北京机械设备研究所
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